導(dǎo) 語
近日，Shaolei Wang和加州大學(xué)洛杉磯分?？茖W(xué)家組成的研究小組設(shè)計(jì)了一種生物相容性無線微電子設(shè)備——血管內(nèi)植入和起搏的微管起搏器。該成果發(fā)表在 《Science Advances》上。
1、研究背景
微刺激器被廣泛植入心臟、胃、神經(jīng)和泌尿系統(tǒng)等設(shè)備中以維持生命。然而，現(xiàn)有的起搏導(dǎo)線容易出現(xiàn)脫位、斷裂和絕緣缺陷等問題，導(dǎo)致并發(fā)癥的發(fā)生率較高。開發(fā)下一代無導(dǎo)線、無電池的起搏器并能通過微創(chuàng)手術(shù)植入，是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域現(xiàn)存的挑戰(zhàn)。
為了解決起搏導(dǎo)線相關(guān)并發(fā)癥，已經(jīng)開發(fā)了無導(dǎo)線起搏器。然而，目前的無導(dǎo)線起搏器仍存在裝置植入、穿透心肌和脫位等問題，并且僅能用于單腔起搏。
在供電方面，近年來，已經(jīng)出現(xiàn)了使用不同能量收集機(jī)制的柔性自供電設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)無電池操作。然而，由于操作穩(wěn)定性和輸出功率不佳，自供電起搏器仍處于研究階段。另一種可行的策略是通過無線能量傳輸（如磁感應(yīng)、無線電頻率和超聲波）在體內(nèi)給起搏器充電。然而，目前的方法需要開胸手術(shù)將生物電子貼片植入心外膜，但這種方法是否會引起長期心包炎和裝置遷移的問題尚待確定。
2、研究概述
基于功能化導(dǎo)電聚合物的設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了功能化聚苯胺基時(shí)序黏附水凝膠貼片。它可以實(shí)現(xiàn)心臟的同步機(jī)械生理監(jiān)測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測心臟的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和電活動(dòng)。
研究人員開發(fā)出一種自組裝的可植入微管式起搏器，該起搏器輕巧且無需導(dǎo)線，能夠?yàn)檠軆?nèi)心肌起搏和機(jī)械耦合提供高電輸出和操作穩(wěn)定性。這種微管起搏器旨在減少由于裝置固定在心肌上而造成的機(jī)械負(fù)擔(dān)以及與起搏導(dǎo)線相關(guān)的醫(yī)療并發(fā)癥。無線射頻模塊嵌入在薄柔性聚酰亞胺膜中，用于接收外部發(fā)射器的電力傳輸。聚酰亞胺膜用彈性體層封裝，與電路絕緣。這種封裝為用于血管內(nèi)部署和植入的微管裝置的滾動(dòng)自組裝過程提供了粘性。
圖1：用于無線起搏的植入式微管起搏器
（圖片來自原文）
為了優(yōu)化微管起搏器的功率傳輸效率，研究人員還設(shè)計(jì)了一種便攜式射頻功率發(fā)射器，能夠?qū)?5 V 的直流脈沖傳輸?shù)诫p極電極（陽極和陰極）以進(jìn)行電刺激。
圖2：血管內(nèi)植入微管起搏器以恢復(fù)血液動(dòng)力學(xué)血流
A)、B) ECG 和 SpO 2監(jiān)測響應(yīng) 70 至 120 bpm 的心臟收縮。C) 示意圖說明了雙工超聲的放置以及所檢測到股動(dòng)脈血流。D) 脈沖波多普勒檢測到響應(yīng)心臟收縮的脈動(dòng)動(dòng)脈血流。E) t1至t4表示不同心動(dòng)周期的多普勒信號。t1對應(yīng)舒張期，t2對應(yīng)收縮早期，t3對應(yīng)收縮中期，t4對應(yīng)收縮末期。顏色梯度表示流向后肢的血流速度的方向和大小。F)脈沖波多普勒檢測到股動(dòng)脈血流量響應(yīng) 70 至 120 bpm 的心臟起搏。
（圖片來自原文）
研究人員在將該起搏器植入心前靜脈（ACV）后，證實(shí)微管起搏器能夠?yàn)橥Ｌ呐K重新提供能量。
該文獻(xiàn)還介紹了實(shí)驗(yàn)所用材料和該裝置的制造方法。
3、研究意義
這種自組裝的微管式起搏器為血管內(nèi)部署起搏器提供了一種新方法，轉(zhuǎn)化后成果對心臟、胃、神經(jīng)和泌尿系統(tǒng)的刺激也具有一定意義。自組裝的微管式起搏器能夠使快速復(fù)蘇停跳心臟或者執(zhí)行超速起搏。這種實(shí)施方案消除了生物電子學(xué)中儲存電荷的需求，并避免了開放式胸腔輪廓切開術(shù)所帶來的風(fēng)險(xiǎn)和相關(guān)醫(yī)療負(fù)擔(dān)。
參考文獻(xiàn)：Shaolei Wang et al.,A self-assembled implantable microtubular pacemaker for wireless cardiac electrotherapy.Sci. Adv.9,eadj0540(2023).DOI:10.1126/sciadv.adj0540
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